2024年度 学院等開講科目 工学院 電気電子系 電気電子コース
光と物質基礎論 I
- 開講元
- 電気電子コース
- 担当教員
- 荒井 慧悟 / 當麻 真奈
- 授業形態
- 講義
- メディア利用科目
- -
- 曜日・時限
(講義室) - 月3-4 (G2-201(G223)) / 木3-4 (G2-201(G223))
- クラス
- -
- 科目コード
- EEE.D431
- 単位数
- 200
- 開講時期
- 2024年度
- 開講クォーター
- 1Q
- シラバス更新日
- 2025年3月14日
- 使用言語
- 英語
シラバス
授業の目的（ねらい）、概要
電気電子や応用物理学関連の研究をおこなうにあたり，共通の基礎として身につけておく必要のある，今日の情報処理を支える光科学の基礎部分を習得します。
講義は，電磁波と物質（當麻）、量子光学基礎と光電変換デバイス（荒井）、で構成されます。電磁波と物質では、物質中の光の伝搬、屈折率、偏光、光の透過や反射、を講義し、光ファイバや光導波路の原理について学びます。また、物質の性質を調べるために不可欠な各種の分光学の基本について講義を行います。量子光学基礎では、電磁場の量子化を行い、演算子法によって光子数状態やコヒーレント状態の性質を調べます。また、物質の基本構成要素である原子のエネルギー構造と軌道角運動量・スピンの関係を学び、光学遷移の選択則を導きます。さらに、レーザ発振の基礎についても触れます。光電変換デバイスでは、無機半導体および有機半導体における光キャリア生成や発光の原理を講義し、発光・受光デバイスの基礎を学びます。
この講義は、電気電子系電気電子コースおよび電気電子系ライフエンジニアリングコースの学生を想定していますが、光や光物性に興味がある他のコースの学生の受講も歓迎します。また、第２クオーターに開講される光と物質基礎論IIa、光と物質基礎論IIb、光と物質基礎論IIcを受講予定の場合には、本講義を受講しておくことが望ましい。
到達目標
電磁波と物質では、光の伝搬、屈折率、偏光、光の反射と透過、光導波路や光ファイバについて、理解できていることを到達目標とします。また、物質の性質を調べるために用いる吸収や反射分光、ラマン散乱、光電子分光について理解できることを目標とします。量子光学基礎では、生成・消滅演算子を用いた光子の代数計算法を習得し、光の量子状態を解析できるようになることを目標とします。また、角運動量によってラベルされた原子のエネルギー準位間で起こる光学遷移のルールを習得し、光ポンピングなどの光学手法の理解に供することを目指します。さらに、レーザ発振の仕組みを理解することを目標とします。光電変換デバイスでは、無機半導体と有機半導体における光キャリア生成機構の違いを理解することを到達目標とします。
キーワード
屈折率、光導波路、光の反射と透過、分光分析、量子光学、レーザ、半導体、発光ダイオード、フォトダイオード
学生が身につける力
- 専門力
- 教養力
- コミュニケーション力
- 展開力 (探究力又は設定力)
- 展開力 (実践力又は解決力)
授業の進め方
講義の後に小テストを実施したり、演習を実施したりします。
授業計画・課題
| 授業計画 | 課題 | |
|---|---|---|
| 第1回 | 光の性質、電磁波と光 | 光の性質を理解できる。 |
| 第2回 | 光の伝搬、位相速度と群速度 | 群速度について、説明できる。 |
| 第3回 | 偏光、屈折率と分散 | 偏光、屈折率の起源とその分散を理解できる。 |
| 第4回 | 光の屈折、反射と透過 | 反射と透過率の計算ができる。 |
| 第5回 | 全反射と光導波路 | 全反射について理解し、導波路について理解できる。 |
| 第6回 | 赤外吸収、可視吸収分光 | 各種の分光の原理が理解できる。 |
| 第7回 | ラマン散乱、光電子分光 | 各種の分光の原理が理解できる。 |
| 第8回 | 光の量子化 | 電磁場の量子化と場の演算子の導出 |
| 第9回 | 光子数状態とコヒーレント状態 | 生成・消滅演算子を用いた代数計算と光の量子状態の性質の理解 |
| 第10回 | 原子分光 | 原子のエネルギー構造と角運動量の関係の導出 |
| 第11回 | 光学遷移 | スピン-軌道相互作用によるエネルギー準位分裂と光の吸収・放出に関する選択則の導出 |
| 第12回 | 誘導放出、反転分布 | レーザの基礎となる誘導放出と反転分布の理解 |
| 第13回 | レーザ発振 | レーザ発振の原理の理解 |
| 第14回 | 発光・受光デバイス | 発光デバイスの動作原理の理解および光キャリア生成時のエキシトンの理解 |
準備学修(事前学修・復習)等についての指示
学修効果を上げるため，教科書や配布資料等の該当箇所を参照し，「毎授業」授業内容に関する予習と復習（課題含む）をそれぞれ概ね100分を目安に行うこと。
教科書
ありません。
参考書、講義資料等
G. R. Fowles: Introduction to Modern Optics, Dover ISBN0-486-65967-7
C. Kittel: Introduction to Solid State Physics (either 6, 7, 8th edition), (8th ed. ISBN-10: 0471111813)
成績評価の方法及び基準
光学基礎および光物性基礎について，その理解度を評価する。
配点は，およそ期末試験（70％），演習（30％）とする。
期末試験はオンラインではなく対面で実施予定。
関連する科目
- EEE.D531 ： 光と物質基礎論Ⅱa
- EEE.D532 ： 光と物質基礎論Ⅱb
- EEE.D533 ： 光と物質基礎論Ⅱc
履修の条件・注意事項
ありません
その他
授業は対面で行います。